潤(rùn)滑劑對(duì)覆膜粉體流動(dòng)性能及成形強(qiáng)度的影響

高程翔，姚 山

（大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

通過(guò)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)直接成形鑄造砂型，可以節(jié)約工時(shí)、降低成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度成形[1]。但由于次級(jí)燒結(jié)和臺(tái)階交應(yīng)的影響，成形件的尺寸精度和表面質(zhì)量均受到限制[2]。使用粒徑更小的粉體從理論上能夠有交降低臺(tái)階交應(yīng)的影響，但隨著粒徑的減小，粉體比表面積增大，粒子間范德華力增大，休止角增大，流動(dòng)性變差[3]，尤其是當(dāng)粒徑小于100 μm 時(shí)，粉體間摩擦力大于重力，休止角迅速增加，導(dǎo)致流動(dòng)性急劇下降[4]。而在選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中，鋪粉質(zhì)量的好壞是影響成形件質(zhì)量的關(guān)鍵之一。Schmid[5]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉末材料要有優(yōu)越的流動(dòng)性才能滿(mǎn)足鋪粉的需要，否則會(huì)影響粉床的均勻性，使得粉床密度分布不均，降低成形件的精度。因此在使用更小粒徑的粉末進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)時(shí)，需要對(duì)其流動(dòng)性能進(jìn)行改善，以滿(mǎn)足鋪粉的要求，同時(shí)還應(yīng)保證成形件具備一定的強(qiáng)度。

本文以覆膜鐵粉、覆膜石英粉和覆膜漂珠為研究對(duì)象，選用硬脂酸鈣、硬脂酸鋰和石墨三種工業(yè)常用潤(rùn)滑劑，就硬脂酸鈣加入量對(duì)三種覆膜粉體的流動(dòng)性、松裝密度和抗拉強(qiáng)度的影響以及相同含量硬脂酸鈣、硬脂酸鋰和石墨對(duì)三種覆膜粉體的流動(dòng)性、松裝密度和抗拉強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，為改善覆膜粉體的流動(dòng)性提供實(shí)驗(yàn)和理論分析依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 粉體原料

為拓展覆膜粉體在鑄造中的應(yīng)用，選用三種物理性能迥異的粉體原料進(jìn)行研究。石英砂作為濕型砂的主要原料之一，在砂型鑄造中受到廣泛應(yīng)用，成本低廉，能滿(mǎn)足一般鑄造條件下對(duì)砂型性能的要求；漂珠作為一種壁薄中空的材料，具有熱導(dǎo)率小、耐火度高的特性，是優(yōu)良的保溫材料，常用于鑄造保溫冒口，覆膜漂珠能實(shí)現(xiàn)鑄造砂型輕量化；鐵粉導(dǎo)熱系數(shù)高，將其覆膜后通過(guò)3D 打印技術(shù)成形，能夠?qū)崿F(xiàn)異形冷鐵的復(fù)雜成形[6]。

試驗(yàn)使用的石英粉購(gòu)置于河南智力環(huán)保石英砂有限公司，200 目，松裝密度為1.16 g/cm3；鐵粉購(gòu)置于河北信達(dá)合金材料有限公司，200 目，松裝密度為2.56 g/cm3；漂珠購(gòu)置于河南浩達(dá)環(huán)保材料有限公司，100 目～200 目，松裝密度為0.43 g/cm3.

1.1.2 黏結(jié)劑

作為黏結(jié)劑的熱塑性酚醛樹(shù)脂有兩種型號(hào)，分別是PFR-1350 和PF-1904，均購(gòu)置于濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司。PFR-1350 樹(shù)脂聚合速度快，但強(qiáng)度中等；PF-1904 樹(shù)脂強(qiáng)度高，但聚合速度慢。將兩種樹(shù)脂按照一定比例混合，可以在保證強(qiáng)度的同時(shí)提高聚合速度。固化劑為烏洛托品，購(gòu)置于河南恒源新材料有限公司。硅烷偶聯(lián)劑KH-550 購(gòu)置于南京創(chuàng)世化工助劑有限公司。

1.1.3 潤(rùn)滑劑

為了防止覆膜粉體結(jié)塊，增加流動(dòng)性，使型、芯表面致密及改善砂型的起模性，減小混粉過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦阻力，常在粉體中添加潤(rùn)滑劑。常用的潤(rùn)滑劑除硬脂酸鹽外，還包括石墨、石蠟和纖維素[7]。一般來(lái)說(shuō)，選擇的潤(rùn)滑劑熔化溫度必須高于酚醛樹(shù)脂的熔化溫度，這樣在激光燒結(jié)過(guò)程中樹(shù)脂先于潤(rùn)滑劑軟化，潤(rùn)滑劑彌散在粉體中，起到一定的骨架作用，能夠減少粉體的沉降，減輕砂芯空隙的形成與擴(kuò)展[8]，否則會(huì)使得粉體流動(dòng)性變差，松裝密度降低。

使用三種潤(rùn)滑劑來(lái)改善覆膜粉體的流動(dòng)性能，分別是硬脂酸鈣、硬脂酸鋰和石墨。其中硬脂酸鈣購(gòu)置于河北佰億聯(lián)化工有限公司，白色粉末，分子式為C36H70CaO4，不溶于水[9]；硬脂酸鋰購(gòu)置于成安縣悅楓化工有限公司，白色粉末，分子式為L(zhǎng)iC18H35O2，微溶于水和乙醇；石墨購(gòu)置于廣東麒輝石墨有限公司，目數(shù)為320，具有片狀晶體結(jié)構(gòu)，還具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、耐壓、耐溫以及化學(xué)穩(wěn)定性等，黑色粉末。三種潤(rùn)滑劑的物理特性如表1所示。

表1 潤(rùn)滑劑特性

1.2 覆膜工藝與試驗(yàn)方案

石英粉和鐵粉使用干熱法進(jìn)行覆膜。覆膜石英粉/鐵粉的具體制備過(guò)程如圖1 所示[10]。

圖1 覆膜石英粉/鐵粉制備流程圖

由于漂珠質(zhì)量輕，在加入烏洛托品前就已經(jīng)產(chǎn)生絮狀粘稠結(jié)構(gòu)，影響烏洛托品的攪拌，因此參照冷法覆膜的工藝對(duì)漂珠的覆膜工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如圖2 所示。

圖2 覆膜漂珠制備流程圖

覆膜石英粉、覆膜鐵粉、覆膜漂珠具體的配比方案如表2 所示。

表2 覆膜粉體配比方案

圖3 是三種粉體覆膜前后的形貌對(duì)比圖，在相同光照條件下，可以看出覆膜后粉體透明度均降低，酚醛樹(shù)脂和烏洛托品已包覆在粉體材料表面。對(duì)于每種覆膜粉體，分別進(jìn)行如表3 所示的實(shí)驗(yàn)。

圖3 粉末原料與覆膜粉體形貌

表3 覆膜粉體流動(dòng)性與抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)——潤(rùn)滑劑含量與種類(lèi)的影響

1.3 性能檢測(cè)

1.3.1 流動(dòng)性——休止角

休止角指的是粉體堆積層的自由表面，在靜平衡的狀態(tài)下，與水平面形成的最大角度。休止角對(duì)粉體的流動(dòng)性影響最大，休止角越小，粉體的流動(dòng)性越好[11]。本文使用白山市玖久儀器儀表有限公司生產(chǎn)的GJ03-09 型粉體綜合特性測(cè)試儀對(duì)覆膜粉體的休止角進(jìn)行測(cè)量。

1.3.2 松裝密度

松裝密度的大小影響成形件燒結(jié)致密度[12]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16913.3-2008《自然堆積法松裝密度的測(cè)定》中規(guī)定的松裝密度測(cè)定方法，使用白山市玖久儀器儀表有限公司生產(chǎn)的GJ03-09 型粉體綜合特性測(cè)試儀對(duì)三種覆膜粉體的松裝密度進(jìn)行測(cè)量。

1.3.3 抗拉強(qiáng)度

選用GB/T 2684-2009《鑄造用砂及混合料試驗(yàn)方法》中規(guī)定的“8”字形標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)三種覆膜粉體的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，使用上海邦億精密量?jī)x有限公司生產(chǎn)的Byes3005 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 潤(rùn)滑劑對(duì)覆膜粉體流動(dòng)性能的影響

2.1.1 硬脂酸鈣含量對(duì)覆膜粉體休止角的影響

圖4 為硬脂酸鈣加入量對(duì)覆膜粉體休止角的影響規(guī)律。在硬脂酸鈣加入量為樹(shù)脂總質(zhì)量的5%～15%范圍內(nèi)，隨著硬脂酸鈣含量的增加，覆膜石英粉和覆膜鐵粉的休止角均呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，休止角下降大小與潤(rùn)滑劑加入量呈線性相關(guān)，可分別用式（1）、式（2）表示；覆膜漂珠的休止角出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。

圖4 硬脂酸鈣含量對(duì)覆膜粉體休止角的影響

式中：θ1—覆膜石英粉休止角；θ2—覆膜鐵粉休止角；W1—覆膜石英粉中硬脂酸鈣加入量；W2—覆膜鐵粉中硬脂酸鈣加入量。

休止角的減小意味著粉體的流動(dòng)性能得到改善，原因是加入的硬脂酸鈣粉末附著在覆膜粉體表面，填平粗糙面并形成光滑表面，從而減小流動(dòng)的阻力和靜電力，使覆膜粉體的流動(dòng)性有所提高。流動(dòng)的阻力主要是覆膜粉體表面樹(shù)脂之間存在的范德華力，其中最強(qiáng)的范德華力來(lái)源于酚醛樹(shù)脂活性結(jié)點(diǎn)之間的作用力。硬脂酸鈣作為中強(qiáng)堿鈣的硬脂酸鹽，極性較強(qiáng)，加入后與覆膜粉體表面的酚醛樹(shù)脂活性結(jié)點(diǎn)絡(luò)合成鍵，從而顯著降低樹(shù)脂之間的內(nèi)摩擦力，使粉末易于流動(dòng)[13]。對(duì)覆膜漂珠而言，當(dāng)潤(rùn)滑劑含量超過(guò)一定限度時(shí)，過(guò)多的比粉體還要細(xì)的潤(rùn)滑劑所增加的范德華力遠(yuǎn)大于其降低的摩擦力，會(huì)使粉體流動(dòng)性變差，從而增加休止角。

休止角與流動(dòng)性的關(guān)系可參考表4.加入適當(dāng)含量的硬脂酸鈣能夠使三種覆膜粉末的休止角都處于35°～38°之間，具備中等流動(dòng)性，基本滿(mǎn)足需求。流動(dòng)性的改善對(duì)石英粉而言尤其明顯，未覆膜的石英粉休止角高達(dá)48°，不能自由流動(dòng)，在改性后其休止角降為36.83°.

表4 休止角與流動(dòng)性的關(guān)系[14]

2.1.2 潤(rùn)滑劑種類(lèi)對(duì)覆膜粉體休止角的影響

圖5 為潤(rùn)滑劑種類(lèi)對(duì)覆膜粉體休止角的影響。對(duì)于覆膜石英粉而言，在加入相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（樹(shù)脂總質(zhì)量的12.5%）潤(rùn)滑劑時(shí)，硬脂酸鈣能夠有交減小休止角，而硬脂酸鋰對(duì)于其流動(dòng)性的改善最差，石墨能夠輕微改善流動(dòng)性，但交果不如硬脂酸鈣。對(duì)于覆膜鐵粉而言，三種潤(rùn)滑劑都能夠較為顯著的減小其休止角，交果由好到差依次為硬脂酸鈣、石墨、硬脂酸鋰。硬脂酸鋰對(duì)覆膜漂珠休止角的改善交果最好，其次是硬脂酸鈣，最差的是石墨，但三者休止角相差不大。只考慮流動(dòng)性時(shí)，建議選用硬脂酸鈣作為覆膜石英粉和覆膜鐵粉的潤(rùn)滑劑，選用硬脂酸鋰作為覆膜漂珠的潤(rùn)滑劑。

圖5 潤(rùn)滑劑種類(lèi)對(duì)覆膜粉體休止角的影響

2.2 松裝密度影響

2.2.1 硬脂酸鈣含量對(duì)覆膜粉體松裝密度的影響

圖6 為硬脂酸鈣含量對(duì)覆膜粉體松裝密度的影響規(guī)律。加入硬脂酸鈣后三種覆膜粉體的松裝密度較未覆膜的粉體原料而言都有所上升。覆膜石英粉和覆膜鐵粉的松裝密度在5%～15%的范圍內(nèi)，隨著硬脂酸鈣含量的增加均呈上升趨勢(shì)；而覆膜漂珠的松裝密度在該范圍內(nèi)先上升再下降，在7.5%時(shí)達(dá)到頂峰0.77 g/cm3.與圖4 休止角的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，可以看出覆膜粉體松裝密度變化都同休止角變化相反。

圖6 硬脂酸鈣含量對(duì)覆膜粉體松裝密度的影響

松裝密度的變化受粉末拱橋交應(yīng)的影響，圖7為粉末顆粒拱橋交應(yīng)的示意圖。當(dāng)粉體顆粒之間摩擦力較大時(shí)，顆粒C 落在顆粒A、B 上，A、B 提供的合力F 足以維持顆粒C 的重力G，因此在顆粒A、B、C 之間能夠形成較大的空隙，拱橋交應(yīng)明顯；當(dāng)加入適量的潤(rùn)滑劑后，粉體顆粒之間摩擦力減小，顆粒A、B 提供的合力F 不足以支撐顆粒C 的重力G，粉末顆粒落入下方的空隙中，減少了粉體顆粒之間由于相互交錯(cuò)咬合形成的拱橋空間，降低拱橋交應(yīng)，減小孔隙率，從而使松裝密度增加。對(duì)覆膜漂珠而言，潤(rùn)滑劑含量的進(jìn)一步增加使粉體間范德華力增大，進(jìn)而使摩擦力增大，超過(guò)某一界限后，粉體顆粒間的拱橋交應(yīng)又再次加劇，因此覆膜漂珠休止角和松裝密度同時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之后粉體流動(dòng)性變差，松裝密度減小。

圖7 粉體顆粒的拱橋效應(yīng)

2.2.2 潤(rùn)滑劑種類(lèi)對(duì)覆膜粉體松裝密度的影響

如圖8 所示，不同潤(rùn)滑劑對(duì)不同覆膜粉體的松裝密度影響迥異。對(duì)覆膜石英粉和覆膜漂珠而言，在潤(rùn)滑劑加入量為樹(shù)脂總質(zhì)量的12.5%時(shí)，硬脂酸鈣能夠獲得最高的松裝密度，其次是石墨，硬脂酸鋰的潤(rùn)滑作用最差。對(duì)覆膜鐵粉來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑劑對(duì)松裝密度影響從大到小排序依次為硬脂酸鈣、硬脂酸鋰和石墨。僅考慮成形件致密度時(shí)，選擇硬脂酸鈣作為這三種覆膜粉體的潤(rùn)滑劑。

圖8 潤(rùn)滑劑種類(lèi)對(duì)覆膜粉體松裝密度的影響

2.3 成形強(qiáng)度影響

2.3.1 硬脂酸鈣含量對(duì)覆膜粉體抗拉強(qiáng)度的影響

圖9 從左至右依次為覆膜石英粉、覆膜鐵粉和覆膜漂珠的“8”字形標(biāo)準(zhǔn)試樣，對(duì)其分別進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試后，得到圖10 所示的硬脂酸鈣加入量對(duì)覆膜粉體松裝密度的影響規(guī)律。對(duì)于覆膜鐵粉和覆膜漂珠，兩者抗拉強(qiáng)度趨勢(shì)變化相同，隨著硬脂酸鈣含量的增加，均為先上升后下降，覆膜鐵粉在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值1.76 MPa，覆膜漂珠在質(zhì)量量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值1.83 MPa.對(duì)覆膜石英粉而言，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～15%范圍內(nèi)，其抗拉強(qiáng)度一直呈上升趨勢(shì)。

圖9 “8”字形標(biāo)準(zhǔn)試樣圖

圖10 硬脂酸鈣含量對(duì)覆膜粉體抗拉強(qiáng)度的影響

抗拉強(qiáng)度的變化也與流動(dòng)性密切相關(guān)。硬脂酸鈣含量較低時(shí)粉體流動(dòng)性差，粉末之間交錯(cuò)咬合，拱橋交應(yīng)明顯；隨著硬脂酸鈣含量的增加，流動(dòng)性能的改善使粉末孔隙率下降，成形件緊實(shí)率上升，覆膜粉體之間接觸點(diǎn)增加，單位體積內(nèi)的樹(shù)脂頸含量上升，使抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高；同時(shí)在燒結(jié)過(guò)程中樹(shù)脂和硬脂酸鈣先后軟化，相互連接，形成互相貫穿的網(wǎng)絡(luò)[16-17]，增加了酚醛樹(shù)脂的韌性。而當(dāng)硬脂酸鈣含量超過(guò)一定范圍時(shí)，一方面流動(dòng)性的降低使粉體松裝密度下降，孔隙率增加，單位體積內(nèi)樹(shù)脂頸含量減少；另一方面常溫下硬脂酸鈣既無(wú)法起到粘結(jié)作用，同時(shí)還將部分樹(shù)脂頸割裂，反而降低成形件的強(qiáng)度。

2.3.2 潤(rùn)滑劑種類(lèi)對(duì)覆膜粉體抗拉強(qiáng)度的影響

圖11 為潤(rùn)滑劑種類(lèi)對(duì)覆膜粉體抗拉強(qiáng)度的影響。對(duì)覆膜石英粉而言，硬脂酸鈣、硬脂酸鋰和石墨三種潤(rùn)滑劑對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響相差不大，三者“8”字形抗拉測(cè)試件的強(qiáng)度均能達(dá)到1.78 MPa 以上，最高的是加入石墨的成形件，達(dá)到1.86 MPa.由于覆膜石英砂外觀呈乳白色，對(duì)激光的吸收交果較差，而石墨的加入既有利于提高抗拉強(qiáng)度，也有利于提高對(duì)激光的吸收率，因此考慮適當(dāng)加入一定含量的石墨以改善覆膜石英砂的激光成形性能。對(duì)覆膜鐵粉而言，在潤(rùn)滑劑加入量為樹(shù)脂總質(zhì)量的12.5%時(shí)，加入硬脂酸鋰和石墨的成形件的抗拉強(qiáng)度顯著降低，只有相同含量硬脂酸鈣的成形件抗拉強(qiáng)度的1/3 左右，因此覆膜鐵粉中不適合加入硬脂酸鋰和石墨作為潤(rùn)滑劑。覆膜漂珠加入硬脂酸鈣成形件抗拉強(qiáng)度為1.35 MPa，加入石墨的成形件抗拉強(qiáng)度為1.07 MPa，相比于加入硬脂酸鈣的成形件而言強(qiáng)度稍微降低。

圖11 潤(rùn)滑劑種類(lèi)對(duì)覆膜粉體抗拉強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

1）硬脂酸鈣的含量會(huì)影響覆膜粉體的性能。適量的硬脂酸鈣能夠提高覆膜石英粉、覆膜鐵粉和覆膜漂珠的流動(dòng)性、松裝密度與抗拉強(qiáng)度；過(guò)量的硬脂酸鈣反而會(huì)降低流動(dòng)性，減小松裝密度與抗拉強(qiáng)度。

2）加入硬脂酸鈣、硬脂酸鋰和石墨對(duì)覆膜粉體的流動(dòng)性有改善作用；在潤(rùn)滑劑質(zhì)量為樹(shù)脂總質(zhì)量12.5%時(shí)，加入硬脂酸鈣的覆膜石英粉和覆膜鐵粉及加入硬脂酸鋰的覆膜漂珠具有最佳流動(dòng)性。

3）不同潤(rùn)滑劑對(duì)不同覆膜粉體松裝密度影響迥異。在潤(rùn)滑劑質(zhì)量為樹(shù)脂總質(zhì)量12.5%時(shí)，加入硬脂酸鈣的三種覆膜粉體均能夠獲得最大松裝密度。

4）硬脂酸鋰會(huì)降低三種覆膜粉體的抗拉強(qiáng)度；石墨能夠提高覆膜石英粉的抗拉強(qiáng)度，顯著降低覆膜鐵粉和覆膜漂珠的抗拉強(qiáng)度；相較于硬脂酸鋰和石墨，加入硬脂酸鈣的覆膜粉體均能獲得較高的抗拉強(qiáng)度。